水處理行業(yè)電能質(zhì)量監測與治理系統解決方案

摘要：在水務(wù)行業(yè)供配電系統中，涉及曝氣風(fēng)機、提升泵、污泥脫水設備等感性負荷設備，導致異步電動(dòng)機產(chǎn)生較多無(wú)功功率和大量的諧波，使部分設備表現出輕載或不滿(mǎn)載運行狀況降低功率因數，以及諧波對配電系統、負載產(chǎn)生較大的危害。就此，水務(wù)行業(yè)需提高對電能質(zhì)量的重視，通過(guò)有效的無(wú)功補償、諧波治理措施，調節功率因數和濾除諧波，從而節能降耗。

關(guān)鍵詞：水務(wù)行業(yè)供配電系統；無(wú)功功率；諧波；功率因數；電能質(zhì)量

1引言

在配電系統中，如果容量過(guò)大，技術(shù)人員會(huì )配置無(wú)功補償裝置，用于提升設備的功率因數，減少配電網(wǎng)的損耗。在某污水處理廠(chǎng)中，檢測人員對變壓器進(jìn)行短時(shí)間檢測，雖然檢測結果表明，變壓器在負載低于25%的工況下，功率因數大于0.9，總諧波畸變率低于5%，滿(mǎn)足國家標準。但結合現場(chǎng)勘查結果與檢測數據，分析該污水處理廠(chǎng) 在無(wú)功補償方面仍存在不足。工藝設備中負荷重要的設備(重要工段的水泵、鼓風(fēng)機等)和設備組(污泥脫水及干化系統 、加藥系統等)均由變配電室0.4kV系統放射式供電。

2水務(wù)行業(yè)諧波源分析

水務(wù)行業(yè)污水處理廠(chǎng)的主要大功率設備包括曝氣風(fēng)機、提升泵、污泥脫水設備以及干化成套設備等，還有大型空調系統、變頻器、通風(fēng)設備。

這些設備的變頻機構、控制部件都是典型的非線(xiàn)性負載，會(huì )產(chǎn)生20%-50%的諧波流入配電系統，污染電網(wǎng)，不僅會(huì )對無(wú)功功率補償設備造成潛在影響還會(huì )影響各類(lèi)電氣設備正常運行，降低系統效率，增加電力成本。

圖1 污水處理流程圖

3 諧波的影響

3.1諧波對電網(wǎng)的影響

導致電網(wǎng)功率消耗變大、設備試用時(shí)間降低、接地保護功能和遙控功能出現異常、線(xiàn)路與設備熱量變大等，特別是三次諧波導致非常大的中性線(xiàn)電流，造成配電變壓器零線(xiàn)電流大于相線(xiàn)電流數值，致使設備不能平穩運行。因此，諧波還能引發(fā)造成諧振在電網(wǎng)中發(fā)生，則會(huì )將運行正常的供電停止、情況嚴重、電網(wǎng)解裂等情況發(fā)生。諧振造成變電站局部并聯(lián)與串聯(lián)，致使電壓互感器設施損壞；造成變電站系統當中的設備與元件生成附加的諧波損耗，導致電力變壓器、電力電纜、電動(dòng)機等設備溫度上升，電容器損壞，進(jìn)而促進(jìn)了絕緣材料發(fā)生質(zhì)變的速率

3.2對變壓器的影響

諧波會(huì )增加變壓器的銅耗、鐵耗和雜散磁通損耗（線(xiàn)圈渦流損耗），可能在變壓器繞阻和線(xiàn)電容之間產(chǎn)生諧振，變大變壓器發(fā)熱，甚至引起局部嚴重過(guò)熱，同時(shí)使變壓器噪聲變大，減少變壓器的實(shí)際使用容量，降低變壓器的使用壽命。

3.3對電容柜的影響

在諧波的作用下電容器將過(guò)熱，導致絕緣部分老化，縮短使用壽命。當諧波次數較高時(shí)，電容器呈現低阻抗特性，流過(guò)電容器的電流將變大，使得電容器處在過(guò)載的工作情況，縮短使用壽命。諧波往往還會(huì )使電容器介質(zhì)損耗增加，其直接后果是額外的發(fā)熱和壽命縮短。電容器和電源電感結合也會(huì )構成并聯(lián)或串聯(lián)諧振電路，在諧振情況下諧波電流會(huì )被放大數倍甚至數十倍，最終導致電壓會(huì )大大高于電容器的額定電壓值，使電容器損壞炸裂或保護熔斷器熔絲熔斷。

4水務(wù)行業(yè)電能質(zhì)量檢測和治理系統解決方案

4.1行業(yè)特征

對電能質(zhì)量的要求較高；負載中包含不同種類(lèi)的諧波源，配電諧波的含量較高；諧波主要以2N±1次諧波為主。

4.2解決方案

水處理行業(yè)主要以污水處理廠(chǎng)為主，隨著(zhù)城市的發(fā)展，各個(gè)城市對水處理也逐漸重視起來(lái)，對于老廠(chǎng)會(huì )進(jìn)行設備更新，發(fā)展較快的會(huì )擴廠(chǎng)增加設備。水處理廠(chǎng)配備大量抽送水泵，過(guò)濾設備，自動(dòng)處理設備，這些設備共同的特點(diǎn)是：設備運行會(huì )產(chǎn)生大量的諧波；對電源質(zhì)量要求很高。在設備運行過(guò)程中如果存在大量的諧波，會(huì )使電壓、電流波形發(fā)生畸變，影響系統供電質(zhì)量。同時(shí)還對其它供電及用電設備造成危害，縮短設備使用壽命，干擾重要設備的正常工作。水處理設備用電系統的諧波治理已成為行業(yè)發(fā)展所需要考慮的問(wèn)題。

安科瑞電氣提出的電能質(zhì)量監測與治理系統解決方案可滿(mǎn)足電力監控管理、運維與電能質(zhì)量治理等方面的需求，致力于為水務(wù)行業(yè)用戶(hù)提供一站式的整體解決方案，從產(chǎn)品、系統、服務(wù)等不同方面來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)的需要。為用戶(hù)創(chuàng )造價(jià)值。

4.3方案特點(diǎn)

l 電能質(zhì)量監測與治理系統即可通過(guò)本地設備為用戶(hù)提供電能質(zhì)量監測、治理與設備運維等功能，亦可通過(guò)接入AcrelEMS-SEMI電站廠(chǎng)房能效管理平臺，為用戶(hù)提供遠程在線(xiàn)服務(wù)；

l 符合GB/T17626.30-2012中A 級準確度測量方法，適用于要求準確測量電能質(zhì)量指標參數的場(chǎng)合；

l 專(zhuān)業(yè)化的電能質(zhì)量監測：電能質(zhì)量實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測，測量精度高、測得準，符合 IEC61000-4-30標準；

l 電能質(zhì)量監測與治理裝置信息互聯(lián)，通過(guò)統一平臺管理，方便用戶(hù)同時(shí)監測電網(wǎng)電能質(zhì)量以及治理數據；

l 采用三電平電力電子驅動(dòng)器件，通過(guò)更多的電平輸出更高品質(zhì)的治理波形。

5安科瑞電能質(zhì)量監測與治理產(chǎn)品選型

5.1集中治理

針對水務(wù)行業(yè)配電系統中涉及到的曝氣風(fēng)機、提升泵、污泥脫水設備以及干化成套設備泵等電器設備及數量較多的變頻器設備，為減少諧波對電網(wǎng)側的危害和影響，同時(shí)確保無(wú)功功率因數達到國標要求值，避免罰款，可采用配電房集中治理的方式，同時(shí)也可對整個(gè)低壓供配電系統進(jìn)行電能質(zhì)量在線(xiàn)監測，其中包含諧波分析、波形采樣、電壓暫降、暫升、中斷、閃變監測等，其集中治理的產(chǎn)品選型見(jiàn)表1。

表1電能質(zhì)量監測及集中治理產(chǎn)品選型表

5.2就地治理

曝氣風(fēng)機、水泵等末端設備，運行過(guò)程中不可避免的對整個(gè)供配電系統中產(chǎn)生諧波污染，電流畸變率一般會(huì )達到30%~50%。同時(shí)辦公樓照明普遍采用LED熒光燈、金鹵燈、調光器等，此類(lèi)照明裝置主要負荷類(lèi)型為開(kāi)關(guān)電源型，諧波電流以3次諧波電流為主，3次諧波電流作為零序電流，三相矢量角度一致，因此向N線(xiàn)進(jìn)行疊加，導致N線(xiàn)電流過(guò)大。針對以上負載情況，建議在各重要設備的配電箱增加電能質(zhì)量補償設備進(jìn)行就地治理，達到終端治理諧波的目的，避免諧波影響到整個(gè)配電系統和其他用電設備。

表2就地治理的產(chǎn)品選型見(jiàn)表2

5.3電能質(zhì)量監測與治理系統

（1）平臺拓撲

電能質(zhì)量監測與治理系統平臺主要由電能質(zhì)量治理設備、物理網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器及服務(wù)終端四部分組成，其中電能質(zhì)量治理設備作為基礎實(shí)現對數據采集與電能質(zhì)量補償等，物理網(wǎng)關(guān)實(shí)現設備與服務(wù)器間的數據傳輸以及對設備進(jìn)行策略功能分配，數據經(jīng)由服務(wù)器最終以服務(wù)終端為媒介為用戶(hù)提供可視化展示。

（2）平臺展示

電能質(zhì)量監測與治理系統除作為本地終端為用戶(hù)提供電能質(zhì)量監測、治理與設備運維等功能外，亦可通過(guò)接入AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺，為用戶(hù)提供遠程在線(xiàn)服務(wù)。

6水務(wù)行業(yè)電能質(zhì)量案例及解決方案

6.1案例分析

湖南某污水處理廠(chǎng)一臺2000kva的變壓器，變壓器低壓側兩臺電容補償柜，補償容量為1000 kvar，柜內為接觸器投切，且均為自動(dòng)投切。顯示異常的儀表在返廠(chǎng)檢修后發(fā)現儀表內主板均有不同程度的損壞。根據上述事故發(fā)生后用電設備的損毀情況描述，結合該污水處理廠(chǎng)的實(shí)際運行情況，初步判斷是供配電系統有諧波擾問(wèn)題。針對該問(wèn)題，污水處理水廠(chǎng)委托第三方電能檢測機構對事故發(fā)生點(diǎn)進(jìn)行了電能質(zhì)量測試。

主要監測參量：交流電壓/電流有效值、電壓/電流相位不平衡、電壓/電流頻譜圖、總諧波畸變率、50次以?xún)鹊闹C波含量、電壓/電流的峰值因數、電壓閃變、有功功率、無(wú)功功率、功率因數、電壓/電流的瞬態(tài)值及波形。

電能質(zhì)量測試選取的三處測試點(diǎn)A/B/C的諧波監測結果均不合格，針對該結果進(jìn)行以下具體分析：

（1） 測試點(diǎn)A為3臺152 kW的臭氧設備的電源進(jìn)線(xiàn)端，2用1備。在污水處理廠(chǎng)運行期間，臭氧高頻逆變器處于輕載狀態(tài)時(shí)，電流存在斷續工作的情況，數值波動(dòng)很大，且變化周期短。在有電流工作狀態(tài)時(shí)，可以檢測到諧波電流，反之，無(wú)諧波電流。當臭氧設備處于電流斷流和有電流交替的工作狀態(tài)時(shí)，產(chǎn)生的諧波電流就會(huì )非常大。

（2）測試點(diǎn)B為4臺75 kW外排泵變頻柜的電源進(jìn)線(xiàn)端。經(jīng)測試，該變頻柜滿(mǎn)載后產(chǎn)生的諧波含量在35%左右，且返廠(chǎng)維修的5塊在線(xiàn)儀表的安裝位置都集中在外排泵的附近區域。變頻器的整流是通過(guò)使用晶閘管等非線(xiàn)性電力電子元件實(shí)現的，這種方式可以很好地滿(mǎn)足處理水量的變化和處理工藝的變化，提高污水處理的效率，但在變頻器輸入側和輸出側產(chǎn)生的諧波會(huì )直接影響整個(gè)供配電系統的穩定運行，尤其是在同一線(xiàn)路中裝有數量較多或功率較大的變頻器時(shí)，對電網(wǎng)的沖擊就會(huì )更大。

（3）測試點(diǎn)C為變壓器二次側總出線(xiàn)端。受測試點(diǎn)A和B的諧波疊加影響，事故發(fā)生時(shí)，電網(wǎng)中很有可能產(chǎn)生了局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，進(jìn)而使系統內的諧波電流值大大超過(guò)了測試點(diǎn)A處的電容柜內電容器和電抗器的電流限值，導致部分投用的電容器和電抗器迅速燒毀，同時(shí)對電網(wǎng)內的其他用電設備也造成了不同程度的影響。

圖2 C點(diǎn)波形圖及各次諧波電流

6.2治理方案

原先電容柜替換為SVG靜止無(wú)功發(fā)生器，防止無(wú)功補償柜受諧波影響損壞電容，也防止發(fā)生諧振，從而導致無(wú)功補償柜燒毀。容量按原先電容柜容量進(jìn)行替換，功率因數可達1，減少客戶(hù)電費支出。

根據該污水處理廠(chǎng)電能質(zhì)量的實(shí)測結果，變壓器二次側含有5次、7次、11次、13次諧波，總諧波電流達到200A，諧波畸變率達到27.6%，所以建議安裝有源濾波器。最終在我公司的建議下，在變壓器的出線(xiàn)側，安裝了1臺300A有源濾波器。

7結論

水務(wù)行業(yè)中的設備普遍采用變頻器、電機、水泵，使非線(xiàn)性設備負荷的種類(lèi)和數量迅速增加，諧波污染日趨嚴重，給配電系統和現場(chǎng)設備帶來(lái)巨大危害。但水務(wù)行業(yè)供配電系統諧波問(wèn)題一直沒(méi)得到足夠重視，諧波造成的電能消耗增加、設備故障、使用壽命縮短等直接和間接經(jīng)濟損失相當巨大。通過(guò)對水務(wù)行業(yè)供配電系統電能質(zhì)量進(jìn)行研究，結合系統平臺提出合理的整體解決方案，對改善供電質(zhì)量，提高電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟運行，保障設備的性能以及降低能耗均有重要意義。